异型部件装配的位姿调整机构设计范文

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《北京交通大学学报》2015年第四期

随着航空航天技术的发展，对飞行器速度的要求越来越高，飞行器形状由传统的规则结构逐渐向异型面复杂结构转变，而飞行器表面的防热问题成为决定飞行器的安全及顺利完成各项任务的最关键因素之一．防热套主要依靠辐射方式散热，其为飞行器的主要组成部分，套装在飞行器的金属壳体之外并且能保证飞行器在飞行载荷和热载荷的作用下安全可靠．由于飞行器热结构部段为异型面复杂结构，在装配金属壳体与防热套前，对两部件进行位姿调整是精确定位装配的关键．并联机构由于刚度大、精度高、逆解容易等特点被广泛用于位姿调整中，尤其是少自由度并联机构还具有控制方便、结构简单等优点，成为调姿机构领域中研究的热点．但是并联机构由于杆长约束等因素，工作空间较小，往往无法满足一些特殊机器人大工作空间、结构紧凑等要求，而混联机构则弥补了并联机构在该方面的不足．关于并联机构结构综合方法的研究，有金琼等提出的单开链法，Hunt提出的螺旋法等．2002年，方跃法和Tsai［7］运用线几何理论和螺旋理论对纯力或纯力偶约束的支链进行了研究，并在此基础上提出了多种具有对称结构的四、五自由度并联机器人机构．房海蓉等利用螺旋理论对少自由度并联机构进行了分析和结构综合，并利用反螺旋理论对三自由度并联机器人机构进行了奇点分析．基于此研究背景，本文作者提出了一种位姿调整机构的设计方案，用于飞行器金属壳体和防热套装配前位置与姿态的调整，并重点对带有中心链的2R2T金属壳体位姿调整机构进行了设计与分析（其中：R表示机构具有的转动自由度；T表示机构具有的移动自由度）．

1位姿调整机构的组成

根据金属壳体和防热套精确装配的要求，必须保证两部件在装配完成后位置与姿态完全一致、对接间隙均匀且无应力．由于飞行器金属壳体与防热套的形状不规则，为满足精确装配的要求，需要在装配开始前对两部件进行位姿调整，确保在位姿调整完成后金属壳体和防热套在位置上是对中的、姿态上是一致的．再对两部件进行套装加压．由此可见，金属壳体位姿调整机构还需具有较高的强度和刚度，且结构上应具有对称性和可靠性．根据位姿调整机构的功能分析，确定位姿调整机构的基本组成如图1所示，主要包括金属壳体位姿调整机构、防热套位姿调整机构、移动装配装置、数据检测与采集装置和控制系统．金属壳体位姿调整机构主要用于调整金属壳体的位姿，防热套位姿调整机构主要用于调整防热套的位姿，通过两个位姿调整机构的共同调整使金属壳体和防热套的姿态完全一致，x、y轴位置一致．位姿调整到位后，移动装配装置将携带防热套沿z轴移动，从而完成金属壳体和防热套的装配工作．由于并联机构具有刚度大、精度高、动态性能优越、逆解容易等特点，本文作者采用并联机构作为金属壳体和防热套的位姿调整机构。

2位姿调整机构的自由度分析

为保证位姿调整的准确性，要求整个位姿调整机构至少具有6个相对自由度．在实际装配时，移动装配加压过程只能沿铅垂方向进行，因此必须保证移动装配前两个工件的中轴线完全垂直于水平面．考虑到将工件固定在平台时，工件会因受力不均匀而出现不同程度的轻微偏转，为保证移动装配过程顺利进行，要求金属壳体和防热套的位姿调整机构同时具有绕x轴和y轴转动的2个调平自由度．根据上述分析，可以得到8种位姿调整机构的自由度组合方案，如表1所示．确定具体位姿调整及装配过程如下：1）位置调整．以防热套位置为基准，利用金属壳体位姿调整机构调整金属壳体的位置，使其在x、y轴两个方向与防热套基准保持一致．因此，金属壳体位姿调整机构须具有沿x、y轴移动两个平动自由度．2）姿态调整．利用金属壳体位姿调整机构调整金属壳体的姿态，直至其中轴线垂直于水平面；再以金属壳体姿态为基准，利用防热套位姿调整机构调整防热套3个方向的姿态，直至与金属壳体姿态达到完全一致．3）移动装配．位姿调整到位后，移动装配装置将携带防热套沿z轴移动，从而完成金属壳体和防热套的装配工作．根据上述位姿调整过程，确定选择方案五3R－P－2R2T作为位姿调整机构的自由度组合方案．以下将重点对2R2T金属壳体位姿调整机构进行设计与分析．

3金属壳体并联位姿调整机构的设计

3．1并联机构组成金属壳体位姿调整并联机构采用2R2T并联机构，基本组成如图2所示，由上平台（动平台）、下平台（基础平台）及连接上下平台的若干条支链组成．在对2R2T四自由度并联机构进行结构设计时，可分3种情况：①2R2T四自由度非对称并联机构，即连接并联机构的上下平台各个支链结构不完全相同；②2R2T四自由度完全对称并联机构，即组成并联机构所有支链的结构配置均完全相同；③由一个中间支链即约束支链加上若干个六自由度无约束驱动支链组成的带中间支链的四自由度对称并联机构．由于非对称并联机构稳定性较差，满足自由度要求的四自由度完全对称并联机构无法综合出来，本文作者采用带有中间支链的2R2T四自由度对称并联机构进行设计与分析．六自由度无约束支链有RRRRRR、SPS、UPS、URS、CPS等多种配置方案，由于UPS支链具有结构简单，运动副少，控制方便等优点，本文将选择其作为无约束支链．2R2T并联机构的动平台需具有2个转动自由度和2个移动自由度，这决定了中间约束支链必须为提供一个力约束和一个力偶约束的四自由度运动支链，即CF支链．

3．2并联机构CF支链的结构配置螺旋理论被广泛应用于空间机构分析和结构配置．根据螺旋理论可知，空间任何一条直线可以用一个旋量来，并联机构的每条支链也可以用运动螺旋表示出来．若两个螺旋S／和S／r的互易积等于零，那么这两个螺旋互为反螺旋．根据反螺旋理论可知，当S／1，S／2，…，S／n表示并联机构某一支链的运动螺旋系时，其反螺旋S／r表示该支链运动螺旋系施加给动平台的结构约束螺旋，即支链机械结构对动平台的约束力和力偶．对于2R2T并联机器人机构，动平台需要具有2个移动（沿x、y轴）、2个转动（绕x、y轴）共4个自由度，平台将失去沿z轴方向的1个移动自由度和绕z轴方向的1个转动自由度，因此必须有1个约束力螺旋和1个约束力偶同时作用在动平台上，即中间CF支链约束力螺旋的基础。由于CF支链的自由度运动是一个4阶运动螺旋系，其线性无关零节距运动螺旋数目最多为4，所以支链中的线性无关转动副的数目最多为4．在三维空间中，线性无关且节距为无穷大的运动螺旋数目最为3．由运动螺旋分析可知，CF支链移动副的轴线总垂直于z轴，所以支链中线性无关的移动副的数目最多为2．所以，如将基本副R和P作为组成支链的运动副，则可以得到3杆4副的基本支链类型有4R、3R1P和2R2P型，运动副符号前面的数字表示机构中线性无关的运动副的数目．应用运动副等效替换的方法，还可以得到2R1U，1R1U1P，2R1C，1R1C1P和1U2P的2杆3副分支类型．图3为几种CF支链配置的举例．本文作者选择如图4所示的4－UPS／UPP作为金属壳体调姿机构．其有以下几点优势：1）4－UPS／UPP机构的各条支链上都有且仅有3个运动副，其结构简单且符合金属壳体调姿机构的自由度要求．2）飞行器金属壳体的质量较重，可达到数吨重且调姿完成后还有加压要求，可以增加设计好的UPS支链的数量来适应载荷的增加，并且增加UPS支链的数量会增加系统的支撑刚度，并且不影响整体机构的自由度．3）中间UPP支链既约束了两个不需要的自由度，同时也增加了系统的刚度，提高整体机构的承载能力．4）每条支链结构简单、驱动容易、控制简单．

3．32R2T并联机构自由度分析对于4－UPS／UPP并联机构，U副为万向绞，其运动可以用2个轴线互相垂直的运动螺旋表示；S副为球铰，其运动用3个轴线互相垂直并且相交于一点的运动螺旋表示．4－UPS／UPP机构中每个运动关节的运动用运动螺旋表示如图5所示．基于螺旋理论可知螺旋的相逆性与坐标系的选择无关，可以取分支坐标系的直向上，得出UPS分支所有运动副的运动螺旋。可见UPS分支对动平台并无非零的约束螺旋，即UPS分支不对并联机构动平台运动形成限制．式（9）表明中间UPP支链约束了动平台沿z轴的移动和绕z轴的转动两个自由度，而UPS支链对动平台无约束，正好符合金属壳体调姿系统对运动维数的要求．

4结论

1）对异型面飞行器装配机构的功能与要求进行了分析，确定了位姿调整机构的组成和自由度组合原则，提出采用3R－P－2R2T自由度组合方案对位姿调整机构进行设计．2）对2R2T金属壳体位姿调整机构中的CF支链进行结构的配置，提出了采用带有中间支链的4－UPS／UPP四自由度并联机构作为金属壳体调姿机构，采用螺旋理论计算了4－UPS／UPP并联机构的自由度．

作者：房海蓉 王楠 单位：北京交通大学 机械与电子控制工程学院